大渡河雙江口水電站地下廠房巖錨梁爆破開挖設計

和江濤，唐青山，王 剛，龔航里，宋磊博

(1.中國葛洲壩集團 第一工程有限公司，湖北 宜昌 443000； 2.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000； 3.武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430000)

0 引 言

隨著中國經濟的快速發展和對電能需求量的日益增多，一系列水電站工程陸續建成，如三峽工程[1]、白鶴灘水電站[2]、溪洛渡水電站[3]、烏東德水電站[4]和錦屏二級水電站[5]等。全國水電裝機容量達3.5億kW，年發電量13 220億kW·h。水電工程對保障中國能源安全和優化能源結構發揮了重要作用[6-8]。

在開發中國西部山區水電資源的同時，往往要面臨水電站地下廠房地下洞室群的鉆孔爆破開挖問題。其中，巖錨梁是大型水利樞紐工程地下廠房的重要組成結構，其充分利用圍巖自承的能力，在減少圍巖開挖量的同時，還可提前安裝吊車、方便混凝土澆筑及機組安裝，被廣泛應用于國內外各大水電站地下廠房施工中[9-12]。巖錨梁的爆破開挖是地下廠房施工的重難點問題和關鍵環節，其開挖質量關乎地下廠房巖壁吊車運行安全和施工效率。因此，在巖錨梁部位的開挖過程中必須進行相關爆破試驗，尋求最優爆破參數，以達到工程質量相關標準的要求[13-14]。近年來，相關學者對巖錨梁爆破開挖問題進行了大量研究，為地下廠房巖錨梁爆破開挖積累了施工經驗。王媛等[15]以兩河口水電站地下廠房為例，研究了砂板巖區巖錨梁精細化開挖技術，在開挖中嚴格遵循“薄層開挖、隨層支護”原則，確保巖錨梁開挖優質成型。周建平等[16]研究了大朝山水電站地下廠房巖錨梁保護層的開挖工藝，并對巖錨梁施工中有關技術問題進行了分析和總結。樊鵬等[17]基于官地水電站，研究了地下廠房巖錨梁巖臺爆破開挖施工方法和質量控制方法，以及不同地質情況下的巖臺開挖成型控制技術。陳明等[18]利用LS-DYNA數值模擬，研究了爆破開挖震動下巖錨梁的動態響應特性，并結合龍灘水電站地下廠房巖錨梁開挖爆破進行了實例分析。

雙江口水電站地下廠房工程處于高地應力和圍巖完整性差的特殊力學環境及復雜地質條件中，在巖錨梁爆破開挖施工過程中，圍巖開挖爆破卸荷松弛現象嚴重，易產生大范圍板狀或片狀的破裂、破壞現象，導致巖錨梁成型困難。本文結合現場試驗及監測數據，總結了巖錨梁施工過程中的技術問題，對類似工程具有一定借鑒意義。

1 工程背景

1.1 工程概況

雙江口水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣、金川縣境內，是大渡河流域水電梯級開發的上游控制性水庫工程。地下廠房布置于該水電站大壩左壩肩的壩軸線上游，主廠房最小水平埋深約400 m，垂直埋深約320～500 m，與烏東德水電站、白鶴灘水電站[19-21]等同類工程相比，該區域地應力更高，地下廠房實測最高地應力可達40 MPa[22]。水電站地基圍巖主要為似斑狀黑云鉀長花崗巖，巖體新鮮，致密堅硬，結構完整。巖錨梁布置于廠房Ⅲ層的主機間和安裝間，單側長度為189.08 m，總長378.16 m，巖錨梁上拐點高程為2 267.4 m，下拐點高程2 265.3 m，總高度為2.1 m，斜面長2.58 m，與主廠房邊墻成35.54°夾角。

1.2 爆破開挖工序及施工難點

考慮工期影響，廠房Ⅱ層的開挖支護與廠房Ⅲ層開挖同步進行，開挖程序如圖1所示。巖錨梁在施工過程中面臨地應力大、地質條件復雜、控制爆破振動速度要求高、鉆孔角度控制難度大及開挖工期緊等諸多難題。

2 巖錨梁爆破方案

受巖錨梁下游層較高地應力的影響，巖石擠壓較大，層間裂隙斷層較嚴重，上游巖體擠壓稍小。爆破方案嚴格遵循“預支護、短進尺、弱爆破，及時支護、早封閉、勤量測”的施工原則進行設計，以確保洞室的安全穩定。

2.1 最大單向藥量反演分析

基于廠房第Ⅱ層中部拉槽爆破試驗，對現場實際測試的振速值、單段藥量和爆心距進行統計，采用薩道夫斯基的經驗公式進行反演分析，如式(1)～(2)所示。

(1)

(2)

式中：V為振速值，cm/s；K為與巖石和爆破方法等因素有關的系數；α為與地質條件有關的地震波衰減系數；Q為與振速值V相對應的最大起爆藥量，kg；R為測點與爆心的直線距離，m；ρ為比例藥量，kg/m。

對爆破振動測試采集的數據進行整理，對巖體爆破開挖測試數據進行回歸分析，求得振動速度傳播經驗公式中的K，α值，如表1所示。

表1 爆破振動衰減規律

選取Ⅱ層中部拉槽3次試驗中K與α的平均值作為巖錨梁層4區的開挖爆破衰減規律，相應徑向、切向及豎直向計算公式如下。

水平徑向：

(3)

圖1 廠房Ⅲ層開挖程序(尺寸單位：cm)

水平切向：

(4)

豎直方向：

(5)

根據式(3)～(5)進行反演可得到不同水平距離處的最大允許振動速度。最大爆破振動速度由預裂爆破引起，因此按照爆破振動傳播衰減規律進行回歸分析，得到距爆源10 m處的反演結果。依據《四川省大渡河雙江口水電站引水發電系統地下洞室群開挖支護施工技術要求》，水平徑向、水平切向和豎直向最大峰值質點振速值為7 cm/s時，對應最大單響藥量分別為67.6，36.63 kg和35.87 kg。綜上討論，考慮選取豎直向最大峰值質點振速值作為地下廠房圍巖安全控制標準，即現場以35.87 kg的單響藥量進行。

2.2 上游側保護層爆破優化試驗

2.2.1 第一次開挖試驗

保護層第一次開挖試驗于2020年6月7日在上游側預留保護層上進行，長度為10 m，高度為2.6 m，保護層光爆孔孔距為40 cm，手風鉆垂直造孔，單孔裝藥500 g，線裝藥密度192.3 g/m，孔數25個，爆破聯網及典型裝藥結構見圖2～3。

圖3 保護層光爆孔典型裝藥結構(單位：cm)

采用圖2～3所示的孔網結構和裝藥結構進行保護層爆破開挖，爆破效果如圖4所示，現場觀察結果顯示：① 爆破后每個孔位留有半孔，但半孔成型僅為炮孔的1/3，分段裝藥處半孔破壞較嚴重；② 孔間巖面平順光滑，平整度好；③ 部分半孔的孔壁內有爆破裂隙；④ 爆破后3 d，光爆面存在明顯的片幫現象。

圖4 保護層第一次開挖試驗效果

2.2.2 第二、三次開挖試驗

主爆孔裝藥不變，通過調整裝藥結構，調整線裝藥密度。保護層第二次開挖試驗于2020年6月12日在上游側預留保護層上進行，長度為10 m，高度為2.6 m，保護層光爆孔孔距為40 cm，手風鉆垂直造孔，單孔裝藥300 g，線裝藥密度165 g/m，孔數25個。

保護層第三次開挖使用第二次的試驗結果做驗證，于2020年6月15日在上游側預留保護層上進行，長度為10 m，高度為2.6 m，保護層光爆孔孔距為40 cm，手風鉆垂直造孔，單孔裝藥412.5 g，線裝藥密度158.7 g/m，孔數25個，典型裝藥結構及爆破聯網見圖5～6。

圖6 優化后保護層開挖爆破布孔及聯網(單位：cm)

圖5 優化后光爆孔典型裝藥結構(單位：cm)

爆破效果如圖7所示。現場觀察結果顯示：① 爆破后每個孔位留有半孔，半孔成型較好；② 半孔內孔壁沒有明顯的爆破裂隙，且分段裝藥處沒有明顯的爆破裂隙、半孔沒有明顯破壞，爆點清晰可見；③ 孔底部位出現一條橫向裂縫，影響整體成型效果。

圖7 保護層第二、三次開挖爆破效果

2.3 巖臺開挖優化試驗

2.3.1 上游側巖臺第一次開挖試驗

2020年8月4日20∶00進行(廠橫)0+10至(廠橫)0+30巖臺開挖試驗，垂直光爆孔單孔裝藥162.5 g，線裝藥密度99.1 g/m；斜面光爆孔單孔裝藥312.5 g，線裝藥密度120 g/m。共60個孔，最大單響藥量為27.75 kg，典型裝藥結構及爆破聯網見圖8～10。

圖8 垂直光爆孔典型裝藥結構(單位：cm)

圖9 斜面光爆孔典型裝藥結構(單位：cm)

圖10 巖臺開挖爆破布孔聯網(單位：cm)

爆后效果檢查結果(圖11)：① 爆點清晰，半孔率達95%以上，孔壁無爆破裂隙；② 對開挖輪廓面進行平整度檢測，共選取37個測點，最大值為9.20 cm，最小值為1.40 cm，平均值為4.81 cm；③ 斜壁面(廠橫)0+13、(廠橫)0+20、(廠橫)0+24、(廠橫)0+29等4個斷面顯示沒有欠挖存在，上拐點位置處超挖最大值為9 cm，最小值為2.6 cm；④ 對巖臺斜壁面成型角度進行測量，角度大致為36°，設計巖臺斜面角度為35.54°，可滿足質量要求；⑤ 保護層試驗開挖后、巖臺開挖前即揭露存在一條橫向裂隙，(廠橫)0+30至(廠橫)0+20段巖臺開挖揭示在巖錨梁上拐點(高程2 267.4 m)附近存在水平裂隙，水平裂隙高程約為2 267.1 m，影響了上拐點的開挖成型；⑥ (廠橫)0+20至(廠橫)0+10開挖前自身較破碎，開挖后斜面光爆孔出現塌孔，影響裝藥，該段開挖成型較差；⑦ 下拐點成型較好，無破壞現象發生。

圖11 巖臺開挖前后的保護層形象

2.3.2 下游側巖臺第一次開挖試驗

2020年10月4日18∶00進行下游側巖臺開挖試驗。試驗在結構輪廓線上進行。受已施工錨噴護混凝土影響，按第一次巖臺開挖試驗角度無法施工，故對垂直光爆孔及斜面光爆孔鉆孔角度進行調整。開挖樁號為(廠橫)0-40至(廠橫)0-30，垂直光爆孔單孔裝藥144 g，線裝藥密度86.7 g/m；斜面光爆孔單孔裝藥312.5 g，線裝藥密度114.5 g/m。共34個孔，最大單響藥量為13.2 kg，典型裝藥結構及爆破聯網見圖12～14。

爆破后效果檢查結果：① 巖臺斜面保存基本完整；② 受中部拉槽影響，高地應力導致保護層產生新生裂隙，呈扇形破壞，下游側保護層破碎，因而按照設計要求進行了預錨固措施施工，起到了一定效果，保證了巖臺的成型；③ 爆破后半孔率較低，個別孔位存在爆破裂隙；④ 對巖臺斜面(廠橫)0-31、(廠橫)0-35兩個斷面進行測量驗收，結果顯示斜面無欠挖情況，超挖最大值出現在上拐點位置處，最大值為16 cm。

圖12 垂直光爆孔典型裝藥結構(單位：cm)

圖13 斜面光爆孔典型裝藥結構(單位：cm)

圖14 巖臺開挖爆破布孔聯網(單位：cm)

2.3.3 上游側巖臺第二次開挖試驗

2020年11月2日23∶00進行巖臺第二次開挖試驗。試驗在結構輪廓線上進行，受已施工錨索錨墩及噴護混凝土影響，上拐點以上保護層原預留的1.62 m不滿足巖臺4區垂直孔施工條件，故采用水平開挖的方式將上部1.62 m保護層削減為80 cm，同時相應調整垂直光爆孔及斜面光爆孔鉆孔角度。本次開挖樁號為(廠橫)0+004至(廠橫)0-020，垂直光爆孔單孔裝藥106 g，線裝藥密度126 g/m；斜面光爆孔單孔裝藥375 g，線裝藥密度137 g/m。共60個孔，最大單響藥量為22.5 kg，典型爆破聯網及裝藥結構見圖15～17。

爆破后效果檢查結果(圖18)：①爆點清晰，半孔率達95%以上，孔壁無爆破裂隙；② 下拐點成型較好，無破壞現象發生；③ 因保護層開挖爆破，巖臺4區剩余層薄，在該區斜面孔鉆孔時將角度向下傾斜，使該區開挖后有明顯的炮孔槽，形成了一定的超挖；④ 斜壁面(廠橫)0+00，0-05，0-10，0-15，0-20等5個斷面顯示沒有欠挖存在，上拐點位置處超挖最大值為18 cm，超挖最小值為2 cm。

圖15 巖臺開挖爆破布孔聯網(單位：cm)

圖16 垂直光爆孔典型裝藥結構(單位：cm)

圖17 斜面光爆孔典型裝藥結構(單位：cm)

圖18 巖臺開挖前后的保護層形象

3 爆破安全監測及成型效果分析

3.1 爆破振動監測

主副廠房巖錨梁開挖爆破試驗在距離爆區10～30 m范圍內的邊墻上布置5個測點，相鄰測點間距為5～10 m，各測點按水平徑向、水平切向和豎直向布置傳感器。爆破振動監測點隨開挖位置變化而變化。固定傳感器時，首先用電鉆在側墻上打膨脹螺絲孔，然后把質點振動儀固定在側墻上，擰緊螺栓至無松動現象，保證其可隨圍巖同時振動。在安裝過程中，豎直方向Z應保持與水平面垂直，水平X方向與廠房軸線平行，水平Y向垂直廠房內壁。為防止爆破飛石的破壞，監測儀器及傳感器用加裝膨脹螺絲的鐵盒進行一體式保護，如圖19(a)所示。

圖19 爆破振動現場監測

保護層3區一次性開挖20 m，在距離爆源10 m處，上游側巖臺第一次開挖試驗的最大爆破振動數值為5.88 cm/s；下游側巖臺第一次開挖試驗為4.62 cm/s；上游側巖臺第二次開挖試驗為6.47 cm/s，爆破振動速度滿足開挖最低要求(7 cm/s)。中層排水廊道布置2個監測斷面，每個監測斷面布置2支爆破振動傳感器。沿1號機組中心線(廠橫)0+0.00布置2支爆破振動傳感器，分別布置于靠近主廠房側中排上游邊墻及靠近尾水調壓室側中排下游邊墻上，編號BP.ZP.1，BP.ZP.2。沿3號機組中心線(廠橫)0+60.04共布置2支爆破傳感器，分別布置于靠近主廠房側中排下游邊墻及靠近尾水調壓室側中排上游邊墻上，編號BP.ZP.3，BP.ZP.4。爆破振動現場監測典型結果如圖19(b)所示。

3.2 圍巖松動圈測試

為有效檢測巖臺開挖爆破對圍巖松弛深度的影響，在(廠橫)0+31、(廠橫)0+27、(廠橫)0+17、(廠橫)0+5處使用潛孔鉆分別鉆設圍巖松弛深度檢測孔，深度10 m，孔徑90 mm，檢測孔布置見圖20。在爆破試驗開挖前及開挖結束后各進行一次圍巖松弛深度檢測，以對比巖臺開挖爆破的圍巖松弛影響深度。

圖20 巖臺圍巖松弛深度檢測孔平面布置示意(尺寸單位：cm)

主廠房0-30斷面測孔爆前圍巖松動圈深度為2.0 m，爆后圍巖松動圈深度為1.0 m，挖去臺階深度1.2 m，爆破前后圍巖松弛深度變化為20 cm，爆前松動圈外平均波速5 360 m/s，爆后為5 360 m/s，符合設計要求，且檢測結果符合規范要求。主廠房0-40斷面測孔爆前圍巖松動圈深度為1.6 m，爆后圍巖松動圈深度為0.8 m，挖去臺階深度1.0 m，爆破前后圍巖松弛深度變化為20 cm，爆前松動圈外平均波速5 400 m/s，爆后5 370 m/s，變化不大，符合設計要求，且檢測結果符合規范要求。檢測結果(表2)表明：開挖控制較好，圍巖松弛深度較小，滿足開挖技術要求。斷面爆前、爆后波速測試結果如圖21所示(藍色表示爆前波速、黃色表示爆后波速)。

表2 圍巖松動圈檢測數據

圖21 廠橫不同斷面爆破前后波速

3.3 爆破成型效果

(1) 上游側保護層開挖光爆孔線裝藥密度為165 g/m，單次開挖長度20 m，光爆孔間距為40 cm；巖錨梁保護層光面爆破開挖炮孔間距痕跡分布均勻，孔間巖面平整，半孔率均為100%，半孔內均無明顯爆破裂隙，達到爆破效果要求，可以作為上游側保護層開挖參數。下游側保護層光爆孔采用的爆破參數為孔距30 cm、線裝藥密度129.8 g/m、單次梯段長度10 m。因保護層呈層狀結構，雖留有半孔，但總體成型較差，廠房各個機組段布置的物探檢測孔顯示：扇形破壞基本存在于保護層中，邊墻結構線仍保持完整。下一步開挖過程中以下游側試驗爆破參數作為基礎，根據現場實際保護層破碎情況動態調整爆破藥量，采用小藥量爆破，以減少爆破對結構面的破壞。

(2) 上游側巖臺斜面光爆孔間距為30 cm，Φ25 mm乳化炸藥入孔，單孔裝藥375 g(底部1/2支、間隔20 cm裝1/4支)，線裝藥密度137 g/m；巖臺垂直光爆孔間距為30 cm，Φ25 mm乳化炸藥入孔，單孔裝藥106 g(底部1/2支、間隔15 cm裝1/8支)，線裝藥密度126 g/m；炮孔間距痕跡分布均勻，孔間巖面平整，半孔率均為100%，半孔內均無明顯爆破裂隙，達到爆破效果要求，可指導上游側巖臺開挖施工。下游側巖臺斜面光爆孔間距為30 cm，Φ25 mm乳化炸藥入孔，單孔裝藥312.5 g(間隔30 cm裝1/4支)，線裝藥密度114.5 g/m；巖臺垂直光爆孔間距為30 cm，Φ25 mm乳化炸藥入孔，單孔裝藥144 g(底部1/3支、間隔20 cm裝1/8支)，線裝藥密度86.7 g/m；炮孔間距痕跡分布均勻，孔間巖面平整，雖半孔率較差，但半孔內均無明顯爆破裂隙，巖石成型達到要求。

4 結 論

本文針對雙江口水電站地下廠房錨梁爆破開挖成型困難的問題，采用保護層開挖爆破工藝，進行了分層、分區精細化、多工序開挖，保證了巖錨梁順利開挖，并得到如下結論。

(1) 巖錨梁保護層開挖光爆孔線裝藥密度為129.8～165.0 g/m，單次開挖長度20 m，光爆孔間距為30～40 cm，可達到爆破效果要求。根據現場實際保護層破碎情況，在具體實施過程中動態調整爆破藥量，采用小藥量爆破，減少了爆破對結構面的破壞，確保巖錨梁開挖優質成型。

(2) 巖臺斜面光爆孔間距為30 cm，單孔裝312.5～375.0 g乳化炸藥，線裝藥密度114.5～137.0 g/m；巖臺垂直光爆孔間距為30 cm，單孔裝藥106～144 g乳化炸藥，線裝藥密度86.7～126.0 g/m。該設計可使炮孔間距痕跡分布均勻、孔間巖面平整，半孔率達100%，巖石成型優良。

(3) 施工過程中，爆破振動、圍巖松動圈的測試結果表明：爆破施工滿足安全要求，該巖錨梁的爆破開挖方案設計合理、施工過程可靠，可為同類型開挖施工提供參考。